电化学中的防护墙——离子交换膜

陈飞

离子交换膜是一种对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜，在应用时，主要是利用它的离子选择透过性，所以也称为离子选择透过性膜。不论是原电池还是电解池装置，大多数都带有离子交换膜，其在电化学中应用十分广泛，也是高考试题中的常客。本文探讨离子交换膜在电化学中的重要应用，对同学们深人理解原电池原理和电解池原理提供帮助。

一、离子交换膜的类型

离子交换膜按功能及结构的不同可以分为多种类型。高考试题中主要是根据透过的微粒种类将其分为阳离子交换膜、阴离子交换膜和质子交换膜。阳离子交换膜只允许阳离子通过，阻止阴离子和气体通过，阴离子交换膜只允许阴离子通过，质子交换膜只允许质子（H+）通过。

二、离子交换膜的作用

离子交换膜在不同的装置中有不同的作用，下面我们来看一下在电化学中的主要作用。一是防止副反应发生，提高装置的工作效率，提高产品的纯度，防止引发不安全因素。例如在电解饱和食盐水中，利用阳离子交换膜防止阳极产生的氯气进入阴极室与氢氧化钠反应，导致所制产品不纯，也可防止阴极产生的氢气与阳极产生的氯气相遇而发生危险。二是使离子选择性定向移动，平衡整个溶液中的离子浓度或电荷，使溶液始终保持电中性。三是使某种离子能够发生定向移动，构成闭合回路，从而形成原电池或电解池装置。四是常用于物质的制备、分离和提纯等。

三、原电池中的离子交换膜

1.质子交换膜。

例1【改编题】利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2+/MVt在电极与酶之间传递电子，如图1所示。下列说法正确的是（）。

A.该方法在高温条件下比现有工业合成氨的效率高

B.阳极区，在固氮酶作用下发生反应为N，+6H++6Mv+==6MV2++2NH

C.负极区，氢化酶为催化剂，H，发生还原反应

D.电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动

解析：该方法选用酶作催化剂，在高温条件下，酶失去催化活性，和现有工业合成氨相比，效率降低，A项错误。左室电极为燃料电池的负极，MV在负极失电子发生氧化反应生成MV2+，在电化学上把发生氧化反应的一极称为阳极，阳极区在氢化酶的作用下MV2+与H，反应生成H和MV，反应的化学方程式为H，+2MV+-2H++2Mv+，氢气发生氧化反应，B项和C项均错误。电池工作时，氢离子（即质子）通过交换膜由负极向正极移动，故D项正确。

答案：D

点评：原电池工作时阳离子移向正极区，阴离子移向负极区。质子通过质子交换膜向正极区移动，从而形成闭合回路构成燃料电池，保证交换膜两边溶液都是电中性，能产生稳定电流，提高电池效率。

2.阳离子交换膜。

例2新型锌-碘液流电池具有能量密度高、循环寿命长等优势，其工作原理如下页图2所示。下列说法错误的是（）。

A.放电时电子从锌电极经外电路流向石墨电极

B.放电时正极反应式为I+2e-3IC.若将阳离子交换膜换成阴离子交换膜，放电时正、负极发生改变

D.放电时左侧电解质储罐中的溶质浓度增大

解析：根据图示，放电时锌作负极，石墨作正极，电子从锌电极经外电路流向石墨电极，A项正确。放电时，石墨电极反应式为I+2e-3I。B项正确。将阳离子交换膜换成阴离子交换膜，放电时正、负极不会发生改变，C项错误。放电时Zn？通过阳离子交换膜移向正极，和正极区的I厂结合成Znl，，所以左侧储罐中的溶质浓度增大，D项正确。

答案：C

点评：阳离子交换膜只允许阳离子通过，阳离子通过交换膜移向正极，形成闭合回路并保持溶液的电中性，使原电池具有稳定电流。

3.阴离子交换膜。

例了一种微生物脱盐池的装置如图3所示，下列说法错误的是（）。

A.有机废水中的CH，COO在负极发生氧化反应

B.X为阴离子交换膜，Y为阳离子交换膜C.负极反应式为CH;COO+2H，O+____8e=2C0，↑+7H+

D.该装置工作时，化学能转化为电能解析：根据装置图，有机废水中的CH;COO～在负极发生氧化反应生成CO。和Ht，A项正确。海水中的NaC1经过该装置除去了CI和Nat，Cl通過X膜进入负极区，Nat通过Y膜进人正极区，达到脱盐的目的，因此X为阴离子交换膜，Y为阳离子交换膜，B项正确;负极的电极反应式为CHCOO～+2H，0-8e--2C0.↑+7H+，是失去电子的氧化反应，C项错误。该装置工作时，化学能转化为电能，D项正确。

答案：C

点评：本题中设置了阴、阳两种离子交换膜，使海水中的CI和Nat分别通过离子交换膜达到脱盐的目的。

四、电解池中的离子交换膜

有的电解池没有离子交换膜，有的电解池有离子交换膜。对于有离子交换膜的电解池，有的有一个离子交换膜，有的有两个离子交换膜，还有的设置多个离子交换膜。设置交换膜把电解池分成若干室，不同的电解室能得到不同产物，从而可以制取我们所需的物质，多室电解池因在工业生产及环境治理等方面应用广泛，成为高考命题的宠儿。

1.单膜电解池。

单膜电解池中只有一个隔膜，可以是质子交换膜、阳离子交换膜或者阴离子交换膜。起隔离两边电解质溶液中的某些离子或物质的作用。

例4工业上可利用图4所示电解装置吸收和转化SO，（A、B均为惰性电极）。

下列说法错误的是（）。

A.A极接电源的负极

B.A极区溶液的碱性逐渐减弱

C.本装置中使用的是阳离子交换膜

D.B极的电极反应式为SO，-2e+2H，OSO+4H+

解析：根据HSO;生成S，O，硫元素的化合价降低，发生还原反应，A极为阴极，应接电源的负极，A项正确。阴极的电极反应式为2HSO;+2H++2eS，O？+2H，O，消耗H，碱性增强，B项错误。阳极的电极反应式为SO，+2H，O-2e～-SO+4Ht，H通过离子交换膜由右向左移动装置中使用的应为阳离子交换膜，C项正确。B为阳极，发生反应SO，+2H，0-2eSO？+4Ht，D项正确。

答案：B

点评：电解池中阳离子通过阳离子交换膜移向阴极区，阴离子通过阴离子交换膜移向阳极区。

2.双膜电解池。

双膜电解池是电解池中设置了两个离子交换膜，两个膜可以相同，也可以不相同。

例5焦亚硫酸钠（NagS，O，）在医药、橡胶、印染、食品等方面应用广泛。制备NaS，O，可采用三室膜电解技术，装置如图5所示，其中SO，碱吸收液中含有NaHSO。和NaSO。阳极的电极反应式为

电解后，室的NaHSO浓度增

加。将该室溶液进行结晶脱水，可得到Na，S，O，。

解析：阳极吸引阴离子，水电离的OH在阳极放电，电极反应式为2H，O-4e-0.↑+4H，电解过程中生成的H通过左边的阳离子交换膜进人a室，和a室中Na，SO。结合生成NaHSO，所以a室中NaHSO浓度增加。阴极是水电离出的H放电，OH～浓度增大，OH和NaHSO，反应生成Na，SO，，同时a室中的Nat通过阳离子交换膜进入b室生成NaOH。

答案：2H，O-4e4H++O，↑a例6（改编题）三室式电渗析法处理含NagSO，废水的原理如图6所示，采用惰性电极，ab、cd均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的Na和SO可通过离子交换膜，而两端隔室中离子被阻挡不能进人中间隔室。下列叙述错误的是（）。

A.通电后中间隔室的SO？向正极迁移B.该法在处理含Na，SO，废水时可以得到NaOH和H，SO4产品

C.负极反应为2H，O-4e==0，+4Ht，负极区溶液pH降低

D.ab为阳离子交换膜，cd为阴离子交换膜解析：正极区发生的反应为2H，O-4e0.↑+4H+，由于生成H+，正极区溶液中阳离子增多，故中间隔室的SO通过cd膜向正极迁移，A项正确。负极区发生的反应为2H，O+2e-H，↑+20H～，阴离子增多，中间隔室的Nat通过ab膜向负极迁移，故负极区产生NaOH，正极区产生H，SO，，B项和D项均正确，C项错误。

答案：C

点评：电解池中阳离子向负极（阴极）迁移，阴离子向正极（阳极）迁移。

3.多膜电解池。

多膜电解池是利用离子交换膜将电解池隔成多个极室，借助离子交换膜的选择透过性，自动把产品分离开，得到的目标物质更加纯净，降低分离提纯的成本。

例7H，PO。可用电渗析法制备。“四室电渗析法”工作原理如图7所示（阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过）

（1）写出阳极的电极反应式：

（2）分析产品室可得到HPO，的原因：

（3）早期采用“三室电渗析法”制备H，POq：将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用HPO，稀溶液代替，并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，从而合并了阳极室与产品室。其缺点是产品中混有杂质。该杂质产生的原因是

解析：（1）在阳极水电离出的OH放电，电极反应式为2H，0-4e0，↑+4H+。（2）在阳极室中生成的H穿过阳膜进人产品室，原料室中H，PO，通过阴膜进入产品室，Ht和H，PO2反应生成产品HPO，。在阴极室，水电离出的H放电，电极反应为2H，O+2e-H↑+20H，原料室中的Nat通过阳膜进人阴极室，在阴极室生成NaOH。（3）如果将阳极室中的稀硫酸用H，PO，溶液代替，撤去阳极室与产品室之间的阳膜，合并阳极室与产品室，这样阳极区的H，PO2或HPO，就会失电子发生氧化反应生成PO。

答案：（1）2H，0-4e=-0.↑+4H+（2）阳极室中H通过阳膜进人产品室，原料室中H，PO2通过阴膜进人产品室，二者反应生成HPO，

（3）PO;H，PO2或H，PO，被氧化例8双极膜（BP）是阴、阳复合膜，在直流电的作用下，阴、阳膜复合层间的H，O解离成H和OH，作为H和OH离子源。利用双极膜电渗析法电解食盐水可获得淡水、NaOH和HCI，其工作原理如图8所示，M、N为离子交换膜。下列说法错误的是（）。

A.阳极的电极反应为40H-4e0，↑+2H，O

B.如果没有双极膜（BP），阳极会有Cl2生成

C.M為阳离子交换膜，N为阴离子交换膜

D.电路中每转移2mol电子，两极共得到1mol气体

解析：阴极吸引Ht，H得电子生成氢气，电极反应为2H++2e-H↑，阳极吸引OH～，阳极的电极反应为40H～-4e-0，↑+2H，0，A项正确。若没有双极膜（BP），C进入阳极室直接放电生成Cl，B项正确。Nat穿过M进入阴极室，在阴极区生成NaOH，所以M为阳离子交换膜，CI穿过N进人阳极室，在阳极区生成HCI，N为阴离子交换膜，故C项正确。电路中每转移2mol电子，阳极生成0.5mol氧气，阴极生成1mol氢气，两极共得到1.5mol气体，D项错误。

答案：D

解题步骤：第一步，分清离子交换膜类型，是阳离子交换膜、阴离子交换膜或质子交换膜，判断允许哪种离子通过。第二步，写出电极反应式，判断离子交换膜两侧离子浓度的变化，根据电荷守恒判断离子迁移方向。第三步，分析离子交换膜作用，在产品制备中，离子交换膜的作用主要是提高产品纯度，避免产物之间发生反应或造成危险。

总之，离子交换膜试题往往与生产、生活及新科技等相联系，常以装置图为载体呈现，题材广，信息新，考查同学们阅读提炼信息的能力和获取知识并迁移应用的能力。只要大家熟练掌握原电池和电解池的工作原理，根据装置中的电极种类、离子移动方向、溶液pH的变化、电极反应式等，就能顺利判断离子交换膜的类别，从而更好体会离子交换膜在电化学中的独特作用;反之知道了离子交换膜的类型和作用就能更好地解决电化学的有关问题。

（责任编辑谢启刚）